|
|
|
|
Systém pro ohřev TUV
Starý systém
Již 20 let jsem měl nainstalovaný systém ohřevu teplé užitkové vody (TUV). Solární panely na střeše byly vlastní výroby viz fotogalerie nahoře. Zásobník TUV Tatramat OVK150 s kombinovaným elektrickým ohřevem plus ohřev topnou vodou přes vnější výměník. Boiler byl využíván jako stratifikační viz. následující obrázek. Teplotní stratifikací se rozumí vrstvení objemu zásobníku podle teploty řízeným ukládáním tepla do vrstev o stejné nebo podobné teplotě. Funguje to tak, že pokud se prouděním voda v zásobníku nepromíchá, tak zůstává teplotně rozdělena do vrstev. Nahoře horká a dole studená. V případě že je v činnosti solární ohřev, tak pokud je energie malá, a je nízká teplota cirkulační vody , tak se vytvoří další zóna předehřáté vody, aniž se zchladí horní vrstva. Teprve při vyšší teplotě topné vody se začne prohřívat celý objem boileru. Při zapnutí elektrického ohřevu voda začne proudit a obsah se promíchá a dohřeje se na teplotu nastavenou termostatem, nicméně energie naakumulovaná do předehřáté vody se ušetří. Je důležité, aby elektrický ohřev byl mino časový úsek spotřeby, protože při zapnutí el. ohřevu dojde ke skokovému snížení teploty zásobní horké vody v horní vrstvě. Také je výhodnější, aby odběr vody byl ve větších dávkách. Když je vhodně nastaven režim spotřeby TUV funguje to docela dobře.
Poznámka:
Rozvod TUV měl poměrně dlouhé vodorovné vedení bez
cirkulace. Aby tekla teplá voda v koupelně bylo nutné, odpustit cca 15 l vody,
která se následně použila ke spláchnutí WC. To vedlo k tomu, že v průběhu dne se
TUV prakticky nepoužívala, jen příležitostně v prádelně a v kuchyni, kde
je vedení krátké. Na mytí nádobí je výhradně myčka, která zapínaná v době
nízké sazby a pro pračku platí totéž. Potom průměrná denní spotřeba TUV
v domácnosti byla cca polovina objemu zásobníku. Sepnutí elektrického
ohřevu bylo naprogramováno v době nízké sazby na každý druhý den, plus
sobotu pro koupání. Takovýto režim vyhovoval tomu co bylo výše popsáno.
Solární kolektor s plastovými absorbéry měl vysoký objem teplonosné kapaliny. Přes poměrně vysokou emisivitu byl kolektor o 3,5 m2 v letních slunných dnech schopen ohřát 150l vody na 60°C bez přídavného ohřevu, navíc část energie zůstala akumulována v kolektoru, takže při případném odčerpání vody, třeba pro koupání, se ještě voda v boileru částečně dohřála. Nebyl žádný problém s přehříváním. V polojasném dni to bylo slabší a potom se přídavný ohřev uplatnil. Kolektory byly schopny pracovat pouze v letních měsících. Proto jsem používal jako teplonosnou kapalinu vodu, kterou jsem na zimu vypouštěl.
Pro řízení chodu čerpadla byl použit komparátor diference teploty sestavený z dvou teplotních senzorů TMP01 (Analog Devices) viz [1]. Zapojení má jedinou nevýhodu, že pro propojení senzorů je potřeba 6 vodičů, ale zase jako bonus je k dispozici údaj o teplotě obou míst ve formě napětí s lineární závislostí U= f(t). Během dvacetiletého provozu se toto zařízení tak osvědčilo, že jsem je po přepouzdření senzorů znovu použil v rekonstruovaném systému.
Nový systém
Bohužel letos došlo k havárii boileru a kolektory dožily také. Pro rekonstrukci jsem se rozhodl použít nejnovější technologii: solární deskový kolektor Viessmann, Vitosol 100-FM, typ SH1F, s vysoce selektivním povrchem absorbéru viz. [2]. Absorpční vrstva ThermProtect chrání proměnlivou emisivitou kolektory před přehřátím. Stagnační teplota je jen 145°C. Zásobník TUV Tatramat OVK150 se osvědčil. Bohužel pod stejným označením se nyní dodává zásobník s vnitřním trubkovým výměníkem. Navíc firma změnila majitele, a tím i značení výrobků. Takže nyní (v r. 2021) je to Stiebel Eltron PSH WE-L. Protože jsem chtěl měřit vlastnosti systému, doplnil jsem měření průtoku rotametrem a měření výkonu předávaného výměníkem (viz. popis doplňků v jiném místě těchto stránek). Čerpadlo, expanzní nádoba a elektronika zůstaly ze starého systému. Systém po rekonstrukci viz. galerie nahoře.
Praktické zkušenosti
Zrekonstruovaný systém se chová podstatně jinak, než systém původní. Vlivem nižší emisivity absorbční vrstvy kolektoru, systém pracuje s vyšší teplotou teplonosného média i při nízké intenzitě oslunění. Malý obsah teplonosného média má za následek krátkou časovou konstantu, která se projeví rázy v energetickém toku při oblačném počasí viz. [3]. Toto, ještě s přispěním vnitřního trubkového výměníku, vede k tomu, že se za oblačného počasí nevytváří zóna s předehřátou vodou, jak tomu bylo u systému před rekonstrukcí, ale prouděním dochází k promíchání obsahu celého zásobníku a tím ke snížení teploty vody pro spotřebu. Za slunečného počasí, i přes menší plochu nového kolektoru, se projevuje tendence k přehřátí. Výkonová špička je kolem poledne, zatímco starý systém ji měl posunutou cca o 3 hodiny k večeru. To si vyžádalo změnu chování při spotřebě TUV, např. ruční mytí nádobí za slunečných dní v poledne, místo použití myčky. Pro zjednodušení krátkodobého použití TUV např. opláchnutí rukou apod.), jsem byl nucen v rozvodu TUV instalovat zpětné vedení s oběhovým čerpadlem, aby na všech odběrných místech byla teplá voda k dispozici v krátkém čase. To však zvýšilo ztráty systému, které jsou za slunečných dní kompenzovány přebytky energie, za oblačných dní jdou na úkor vyrobené energie ze slunce a pokud je zataženo jdou na vrub ztrát systému.
Inovace tak proti starému systému, kromě zvýšení komfortu a nákladů na další investice, nic nepřinesla. Paradoxně však vedla ke zvýšené spotřebě TUV, což je parádní příspěvek k ochraně přírody.
Účinnost
Systém byl vybaven zařízením pro monitorování výkonu (viz. popis na jiném místě těchto stránek). Hodnoty výkonu byly přenášeny do PC a po zpracování uloženy do tabulky v EXCELu. V následujícím obrázku je ukázka průběhu výkonu dodaného do výměníku během jasných dnů, jeden v červenci a druhý v září. V grafu jsou také vyneseny teoretické průběhy vypočítané pomocí [4] a korigované křivkou modifikátoru úhlu dopadu (IAM), jak pro kolektor 100FM SH1F deklaruje výrobce v [5]. Výpočet viz. [6]. Měřítka byla zvolena tak, aby se teoretické průběhy co nejlépe kryly s naměřenými hodnotami. Poměrem těchto měřítek můžeme získat účinnost přeměny, která vychází 44%.
Aktualizace (listopad 2021):
Původní záměr provozovat systém s vodou jako
teplonosné médium s vypouštěním na zimu, jak tomu bylo u starého systému,
se ukázal nereálným, protože kolektory nebylo možné bezpečně vypustit. Proto
byla voda na zimu nahrazena nemrznoucí směsí SOLARTERM. Problém, jak systém
naplnit bez speciální pumpy, jsem vyřešil tak, že jsem k tomuto účelu použil
zahradní postřikovač, se zpeciálním adaptérem místo trysky, viz. foto nahoře.
Vzhledem k rozdílným parametrům vody a směsi s glykolem (tepelná kapacita,
vizkozita) bylo třeba provést úpravu výpočtů ve vyhodnocovací jednotce výkonu.
Protože viskozita glykolu s vodou je dosti závislá na teplotě, je údaj
rotametru také na teplotě závislý. Při teplotě média odlišné od teploty při
kalibraci slouží rotametr jako indikátor průtoku.